第七章特殊電機7.1永磁電動機7.2正弦波永磁無刷電動機7.3矩形波永磁無刷電動機

臨沂大學7.4開關磁阻電動機7.1永磁電動機用永磁體取代電勵磁。永磁電機可以實現無刷化。永磁電機一般為800W以下的小型和微型電機。優點是：結構簡單、效率較高、運行可靠。不足之處是使用不當，如：超溫、電樞反應過大、強烈振動，容易造成退磁，使電機性能下降，甚至無法使用。永磁電機中所使用的永磁材料主要有兩種：鐵氧體和釹鐵硼。1.永磁直流電動機★永磁直流電動機的氣隙磁場是由永磁體產生的。★電動機的工作原理、基本方程和性能與傳統的直流電動機相同。★永磁直流電動機仍然裝有換向器和電刷，使維護工作量加大，并使電動機的最高轉速受到一定限制。(圖8－1)2.永磁同步電動機

永磁同步電動機（圖8－2）采用對稱三相短距、分布繞組，定子電流為三相正弦電流，只是轉子上用永磁體取代直流勵磁繞組和主磁極。異步起動（圖8－3、8－4）磁滯起動（圖8－5、8－6）電樞放在定子上，磁極裝在轉子上，便可成為永磁無刷電動機。主要有矩形波永磁無刷電動機和正弦波無刷電動機兩種。永磁體的裝置方式用變頻電源供電的永磁無刷電動機，其轉子表面上的永磁體有兩種裝置方式，一種是表面凸出式，一種是表面插入式。（圖8－7）7.2正弦波永磁無刷電動機☆電機的特點是：（1）永磁體的表面設計成拋物線形，極弧大體為120o，使永磁體所產生的氣隙磁場呈正弦或準正弦分布。（2）定子繞組為短距、分布繞組；（3）定子由正弦波脈寬調制SPWM）的電壓型逆變器供電，三相電流為正弦或準正弦波。采用電動機慣例，以輸入電流作為定子電流的正方向。

1．電壓方程（圖8－8）（8－1）

對采用表面插入式永磁體的正弦波無刷電動機，。用虛擬電動勢表示時，電壓方程也可寫成（8－2）由于，故上式亦可寫成（8－3）對于轉子為隱極的情況，，式（8－1）可簡寫為由于和、均為同相（軸方向），故式（8－4）可簡寫成電壓方程對比式（8－3）和式（8－1），可知（8－4）（8－6）（8－5）2.電磁功率和電磁轉矩把式（8－5）的代入上式，可知（8－7）

由此可得電磁轉矩（8－8）正弦波永磁無刷電動機是同步電動機，其轉速是通過調節供電變頻器的頻率和輸出電壓來調節的。在轉折轉速以下，為恒轉矩運行，在轉速以上，為恒功率運行。(圖8－9、8－10)7.3矩形波永磁無刷電動機

矩形波永磁無刷電動機亦稱為永磁無刷直流電動機。1.空載磁場分布永磁體的極弧為120o，氣隙磁場分布為接近120o的矩形波。2.定子繞組的感應電動勢分析時作以下假設：（1）永磁體的極弧為180o，永磁體產生的氣隙磁場呈矩形波分布；（2）定子繞組為Y聯結、三相整距繞組；（3）由于計算氣隙較大，故電樞反應很小，可以忽略不計。（圖8－11）線圈電動勢（圖8－12）（8－13）以代替得（8－14）相電動勢（8－15）式中，C為電動勢常數。該種電機，線圈電動勢和相電動勢都是矩形波。

3.定子電流和定子磁動勢（圖8－13）矩形波永磁無刷電動機的定子繞組通常由逆變器供電，輸入電流為對稱的三相矩形波電流。只有兩相繞組導通，另外一相電流為0。（圖8－14）(圖8－15)定子繞組所產生的合成磁動勢是一個躍進式磁動勢。4.電磁轉矩和電磁功率

式中，C為電動勢常數。電磁功率為（8－19）（8－18）5.電壓方程（8－20）式中，為兩相繞組內的合成電動勢，；為兩相繞組電阻之和，。6.機械特性（圖8－16）（8－21）

7.控制系統（圖8－17）矩形波永磁無刷電動機是自控式，控制系統由電動機、變頻器、位置傳感器、脈沖分配器組成。開關磁阻電動機是一種定子單邊激勵，定、轉子兩邊均為凸極結構的磁阻電動機，由于定子電流由變頻器電源供電，電動機必須在特定的連續開關模式下工作，所以通常稱為“開關磁阻電動機”。7.4開關磁阻電動機1．結構特點（圖8－18）開關磁阻電動機的鐵心由硅鋼片疊壓組成，定、轉子都做成凸極式，定、轉子磁極不等，通常定子六極、轉子四極或定子八極、轉子六極。磁極均勻分布，定子相對的磁極為一組，其上的集中繞組相串聯稱為一相。若定子上凸極數為

定子相數。開關磁阻電動機的轉子上沒有任何繞組，所以這種電動機是所有電機中結構最為簡單的一種。轉子的凸極數通常為偶數。2．工作原理（圖8－19）通常把轉子凸極軸線與定子激勵相軸線相重合的位置稱為對齊位置。當一相繞組通電，轉子在磁阻轉矩的作用下，旋轉一個角度，轉子磁極與對應相繞組軸線對齊，本相電源斷開，下一相通電，轉子在磁阻轉矩的作用下，又轉過一個角度，轉子凸極與下一相繞組軸線對齊，依此類推，按照一定的順序通斷電，電機轉子將持續轉下去。氣隙磁場的推移速度

（8－24）（8－26）轉子轉速轉矩與電流（圖8－20）、（圖8－21）（圖8－22）、（圖8－23）8－1永磁同步電動機的起動方式有哪些？8－2正弦波永磁無刷電動機的結構特點有哪些？采用什么方式供電？8－3分析矩形波永磁無刷電動機定子繞組的感應電動勢需要做哪些假設？8－4分析開關磁阻電動機的工作原理。+－圖8－1永磁直流電動機示意圖~圖8－2永磁同步電動機示意圖圖8-3永磁同步電動機轉子上的起動繞組永磁體籠型起動繞組極靴圖8-4永磁同步電動機起動過程中的平均電磁轉矩極間填充材料星形永磁體磁滯環圖8－5采用磁滯起動時永磁同步電動機的轉子圖8－6采用磁滯材料的轉子置于旋轉磁場中時的磁滯角轉子鐵心永磁體轉軸a)轉子鐵心永磁體轉軸b)圖8－7永磁體在轉子表面的裝置方式a)凸出式b)插入式軸軸軸圖8－8正弦波永磁無刷電動機的相量圖（為滯后）圖8－9調頻運行時正弦波永磁無刷電動機的運行范圍恒轉矩運行恒功率運行圖8－10轉折點B處電動機的相量圖（）a)NSNSb)圖8－11矩形波永磁無刷電動機的空載磁場分布a)空載磁場分布b)空載氣隙磁場121′2′180o360oOSNb)150o0c)30o180o90o270o360o圖8－12定子線圈和相繞組的感應電動勢

的定子三相整距繞組

b)時定子表面的磁場分布c)線圈1、2和相繞組的感應電動勢

1號線圈軸線×·····××××

軸a)NS150o120o45o30o90o0180o60o270o360o360o270o180o90o0090o180o270o360o圖8－13定子三相繞組的感應電動勢和三相矩形電流（電動機慣例）

軸×·××·×··a)NS×····×××

軸b)NS圖8－14轉子轉角和時，定子各相帶中的電流和轉子上的電磁轉矩a)時，為驅動轉矩b)時，為驅動轉矩ABCABCABCABCABCABC電動機定子ABCUV1V3V5V4V6V2VD1VD3VD5VD4VD6VD2圖8－15三相橋式逆變器的主電路（定子繞組為Y聯結）θ45o~105o105o~165o165o~225o225o~285o285o~345o345o~45o導通器件和相帶V1(A)V1(A)V3(B)V3(B)V5(C)V5(C)V6(Y)V2(Z)V2(Z)V4(X)V4(X)V6(Y)繞組內的電流流向圖8－16機械特性和電動機的容許工作范圍a)機械特性b)容許工作范圍a)b)長期運行間歇運行M脈沖分配器整流器逆變器矩形波永磁無刷電動機位置傳感器三相交流電源ABCUV1V3V5V4V6V2VD1VD3VD5VD4VD6VD2圖8－17矩形波永磁無刷電動機、變頻電源和控制系統定子轉子b)R1定子轉子R1R2C)圖8－186／4型開關磁阻電動機的結構圖a)定、轉子結構b)轉子凸極R1處于對齊位置c)R1和R2處于對齊位置

a)11′2′2311′3′圖8－19開關磁阻電動機的工作原理

a)繞組1導通時，R1、R3上受到磁阻轉矩b)繞組1關斷前，R1、R3達到對齊位置c)繞組2導通時，R2、R4上受到磁阻轉矩a)11′2′233′NSb)11′2′233′NS